Bell Labs inventa la fotocamera senza obiettivo

Il metodo tradizionale di imaging, che ha almeno 150 anni, si basa su una lente per creare un'immagine e un dispositivo per la registrazione di fotoni come una serie di pixel, una pellicola sensibile alla luce o persino una retina.

Ma una drammatica rivoluzione che sta attualmente prendendo d'assalto il mondo dell'imaging significa che questo potrebbe presto cambiare.

Questa rivoluzione si basa su una tecnica chiamata rilevamento della compressione, che si basa sull'idea che molte misurazioni comuni hanno un'enorme ridondanza. Ciò significa che è possibile acquisire gli stessi dati con solo una frazione di misurazioni scelte con cura.

Il trucco, ovviamente, è sapere quali misure prendere e come rimontarle. Vari team hanno sperimentato con entusiasmo questa idea. A gennaio, ad esempio, abbiamo esaminato un gruppo che ha creato immagini 3D utilizzando un singolo pixel in questo modo.

Oggi, questa rivoluzione prende ritmo perché Gang Huang e gli amici dei Bell Labs nel New Jersey affermano di aver utilizzato il rilevamento della compressione per costruire una fotocamera che non ha bisogno di obiettivi e utilizza solo un singolo pixel di rilevamento per scattare fotografie. Inoltre, le immagini di questa fotocamera non sono mai sfocate.

Il nuovo dispositivo è di natura semplice. L'architettura è composta da due componenti, un gruppo di apertura e un sensore. Non viene utilizzato alcun obiettivo, affermano Huang e co. È costituito da un pannello LCD che agisce come una serie di aperture che consentono il passaggio della luce e un singolo sensore in grado di rilevare la luce a tre colori.

Ogni apertura nell'array LCD è indirizzabile individualmente e quindi può essere aperta per consentire il passaggio della luce o chiusa. Un aspetto importante di questo tipo di imaging è che la serie di aperture aperte e chiuse deve essere casuale.

Il processo di creazione di un'immagine è semplice. Inizia con il sensore che registra la luce della scena che è passata attraverso una serie casuale di aperture nel pannello LCD. Quindi registra la luce da una matrice casuale diversa e poi da un'altra e così via.

Sebbene apparentemente casuali, ognuna di queste istantanee è correlata perché registra la stessa scena in un modo diverso. E questa è la chiave che il team usa per ricomporre un'immagine. Il processo di rilevamento della compressione analizza i dati, cercando questa correlazione che poi utilizza per ricreare l'immagine.

Chiaramente, più istantanee vengono scattate, migliore sarà l'immagine. Ma è possibile creare un'immagine piuttosto buona utilizzando solo una piccola frazione dei dati che richiederebbe un'immagine convenzionale.

Ad esempio, il team di Bell Labs ha preso l'immagine dei libri (sopra) utilizzando solo un quarto dei dati che avrebbero potuto registrare.

Infatti, meno dettagli ci sono nella scena, meno dati sono necessari per ricostruirla.

Questa rivoluzionaria fotocamera senza obiettivo presenta numerosi vantaggi rispetto a una fotocamera convenzionale. Il primo è la piccola quantità di dati necessari per creare immagini. Senza un obiettivo, queste immagini non subiscono le aberrazioni e i problemi di messa a fuoco associati agli obiettivi. La scena è completamente a fuoco e la risoluzione dell'immagine dipende dalle dimensioni e dal numero delle aperture e dalla natura puntiforme del sensore di luce.

Utilizzando due sensori dietro lo stesso array di aperture, è possibile creare due diverse immagini della scena contemporaneamente. Infatti, più sensori producono più immagini.

Inoltre, il dispositivo è semplice ed economico. Huang e i suoi amici hanno costruito il loro prototipo utilizzando componenti economici standard a cui chiunque avrebbe accesso.

La cosa migliore è che lo stesso approccio funziona per altre lunghezze d'onda della luce come le onde infrarosse e millimetriche. Quindi dovrebbe essere possibile creare fotocamere relativamente economiche anche per queste lunghezze d'onda.

Lo svantaggio, almeno per il momento, è che ci vuole tempo per acquisire i dati per ogni immagine. Quindi la fotocamera crea solo immagini di scene fisse.

Ma anche questo è utile per la sorveglianza poiché è possibile confrontare immagini consecutive della stessa scena per determinare le cose che sono cambiate o per calcolare la velocità degli oggetti in movimento.

È un lavoro impressionante che probabilmente avrà conseguenze di vasta portata sul modo in cui registriamo il mondo che ci circonda. Aspettatevi di sentire molto di più sull'imaging compressivo, o l'imaging fantasma come a volte viene chiamato, nel prossimo futuro.

È anche interessante vedere Bell Labs colpire di nuovo le sue cinghie. Questa è un'organizzazione con una storia venerabile ma un tumultuoso passato recente. Con progressi come questo, c'è sempre la possibilità che possa riconquistare parte del suo antico splendore.

Rif: arxiv.org/abs/1305.7181 : Imaging senza lenti tramite rilevamento a compressione

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